内燃机配气机构系统动力学分析_张晓蓉

《装备制造技术》２０１０年第９期配气机构作为内燃机三大机构之一，其主要功能是实现发动机的换气过程，根据气缸的工作次序，定时地开启和关闭进排气门，以保证气缸吸入新鲜空气和排出燃烧废气。

现今对于发动机配气机构的设计，一方面希望气门加速度越大，以使气门迅速开关，从而达到最好的换气效果，以提高动力性和经济性；另一方面，希望载荷保持相对较小，以减小加速度，从而减小振动和噪音，并延长使用寿命。

这样的矛盾要求，给配气机构的设计带来困难，因此需要精心设计进排气门的升程曲线，以达到最优设计。

内燃机配气机构的传统开发方法，往往是多方案的比较和试凑过程，在无物理样机的初始开发阶段，不但难以满足这样复杂的设计要求，而且反复进行实物试验，会延长研发周期和增加开发成本，同时对进行频繁的试验，也是不现实的。

而通常配气机构的运动学、动力学计算，仅是把机构当作一个弹性振动系统，模型可以是单质量模型或多质量模型，虽然大体上能满足描述气门运动规律的要求，但是这种方法可视化较差，无法直观地反映出各构件的运动情况，并且某些机构的刚度和阻尼参数，必须通过实测或分析计算才能得到，质量也需要经过折算，这不仅增加了建模的难度，而且也影响分析的精度，其应用范围受到限制。

为此，人们相继把多体动力学和虚拟样机技术，应用到配气机构的动力学分析中。

本文就是在这样的背景下，以多体动力学为理论基础，采用虚拟样机技术，应用ＡＤＡＭＳ软件，进行了发动机配气机构的建模与仿真，从而得到整个系统协调下的运动规律和动力学特性。

利用该种方法建立的配气机构多体动力学模型，不但能很好地描述配气机构动力学特性，而且具有极佳的可视化效果，为提高今后产品自主开发能力起到积极的作用。

１配气机构多体动力学方程以多体动力学理论中的拉格朗日方程为理论基础，建立配气系统的动力学方程。

对于机构中的刚体i ，采用质心在惯性参考系中的笛卡儿坐标和反映刚体方位的欧拉角或广义欧拉角作为广义坐标，即q i ＝［x ，y ，z ，准，θ，φ]Ti ，q =［q １T，q ２T，q n T ］T（１）接着建立这个系统的约束方程和作用力方程，并将它们也都写成广义坐标的表达式，最后应用拉格朗日乘子法，建立系统的运动微分方程，如下所示。

2009年(第31卷)第2期汽 车 工 程A utomo ti ve Eng i nee ri ng2009(V o.l 31)N o .22009024发动机配气机构刚柔耦合动力学特性研究**新世纪优秀人才计划(NCET -05-0766)资助。

原稿收到日期为2008年5月6日,修改稿收到日期为2008年7月17日。

张晓蓉1,2,宋朝省2,吴佳芸2,朱才朝2(11重庆科技学院机械学院,重庆 401331; 21重庆大学,机械传动国家重点实验室,重庆 400030)[摘要] 基于三维实体模型,运用刚柔耦合理论,把摇臂视为柔性体,采用动态子结构法,建立了某顶置气门发动机配气机构凸轮轴)摇臂)气门系统三维刚柔耦合动力学模型,对其动态特性进行了仿真,得出气门的动力学响应、摇臂动态应力等变化规律。

结果表明该发动机配气机构气门升程曲线连续光滑,凸轮与摇臂工作接触过程中无脱离现象发生。

关键词:发动机;配气机构;刚柔耦合动力学A R esearch on R i g i d -flex i ble Coupli ng Dyna m ics of Engi ne V alve -tra i nZhang X iaorong 1,2,Song Chaosheng 2,W u Jiayun 2&Zhu Caichao211Colle g e of M ec hanical Eng i n ee ring,Chongqing Un i v e rsit y of Science and Technol ogy,Ch ong qi ng 401331;21C hong qi ng Universit y,S t a te K e y L abora t ory of M ec han i ca lTran s m ission,Ch ong qi ng 400030[Abstrac t ] B ased on 3D so li d mode,l apply i n g the theory of r i g i d -flex ible coup ling dyna m ics ,tak i n g rocker ar m as flex ible body ,and usi n g dyna m ic substructure m ethod ,a 3D R ig i d -flex i b le Coupli n g Dyna m icsM odel for theca m shaft -rocker -valve syste m of a overhead valve eng i n e i s established .A si m u lati o n on its dyna m ic character i s tic is carried ou,t w ith the dyna m ics response of valve syste m and the chang i n g r u le of rocker ar m dyna m ic stress ob -tained.The results show that t h e valve lift curve is continuous and s m oo th and t h e ca m and r ocker ar m keep pr oper contact throughout the who le wo r k i n g process .K eyw ords :engine ;valve train ;rigid -flexible coupli n g dynam ics前言配气机构是发动机的重要组成部分,其设计优良与否直接影响发动机的性能指标,因而开展配气机构系统动力学研究具有重要的意义。

———————————————收稿日期：2008－12－29内燃机配气机构技术现状及发展路琼琼，李智，雷晶(昆明理工大学，云南 昆明 650224)摘要：配气机构控制内燃机的换气过程，其设计的优劣直接影响内燃机的可靠性及性能。

介绍了内燃机配气机构的国内外研究状况；通过分析配气机构的工作原理，提出设计配气机构时存在的矛盾以及当前已得到广泛应用的配气机构的研究方法。

对现代发动机配气机构采用的先进技术进行总结分析，对其发展方向进行展望，从而为配气机构的相关性能研究提供判断依据，为内燃机配气机构的优化设计提供参考。

关键词：配气机构；动力学；优化设计中图分类号：TK421.3 文献标识码：A 文章编号：1006－0316 (2009) 04－0001－04The current technology and future development of internal combustion engines’ valve mechanismLU Qiong-qiong ，LI Zhi ，LEI Jing（Kunming University of Science and Technology , Kunming 650224, China ）Abstract ：The valve mechanism controls internal combustion engines’ gas exchange process and its design level influences reliability and performances of the engine. The research status of valve mechanism was introduced both on home and abroad. Through the analysis of valve mechanism’s working principle, bring forward the contradictions when designing it as well as its research methods widely used currently. Elaborate and analyze the advanced technology and prospect the development trend of valve mechanism. Sequentially, provide the judge method on the study of its performance and references to the optimization of valve mechanism.Key words ：valve mechanism ；dynamics ；optimization design配气机构作为内燃机的重要组成部分，其性能好坏对内燃机的性能指标有着很重要的影响。

配气机构动力学和凸轮轴耐久性分析罗国良，王洪山，李京鲁（潍柴动力股份有限公司）摘要：本文介绍了利用A VL.Excite.Timing Drive软件和ABAQUS软件进行配气机构动力学计算和凸轮轴瞬态动力学计算，并利用FE-Fatigue进行耐久性预测，提高研发效率。

关键词：配气机构动力学；耐久性分析主要软件：A VL.Excite.Timing Drive1. 前言某型柴油机配气机构是凸轮轴下置式的气门式配气系统，主要部件有凸轮轴、挺柱、挺杆、摇臂、摇臂座、气门桥、气门锁夹、气门弹簧、气门等。

凸轮轴前端带水泵驱动齿轮，驱动生水泵和净水泵，凸轮轴后端是凸轮轴驱动齿轮，驱动整个阀系和水泵。

图1 凸轮轴轴系2. 配气机构动力学2.1参数柴油机主要参数参见表-1。

表-1 柴油机主要参数型 式 6缸直列、四冲程，增压，中冷标定功率/转速(kW/r/min)456kW/1500r/min发火顺序 1-5-3-6-2-4冷态气门间隙（mm） 进气门0.4 排气门0.5进气开 上止点前45.5°CA进气关 下止点后40.5°CA配气相位排气开 下止点前60.5°CA排气关 上止点后45.5°CA2.2单阀系模型配气机构的每个单阀系包括凸轮、挺柱、推杆、摇臂、气门桥和气门，动力学模型将物理模型简化成质量-弹簧-阻尼系统，部件用质量点代替，部件刚度用弹簧刚度代替，其中气门、气门弹簧和推杆采用多质量系统，图2为单个阀系的实际部件和当量模型图。

图2 单阀系部件构成和当量模型2.3凸轮轴模型凸轮轴利用ShaftModeler 的凸轮模块、轴段、阶梯轴和锥形轴等模块来建立详细尺寸结构，草图和模型的对应图见图3。

图3 凸轮轴示意图和轴段模型2.4水泵驱动扭矩某型柴油机有净水泵和生水泵两种，水泵传动见图4考虑两种水泵同时工作的极限情况。

水泵供应商提供的转速与轴功率的对应数据见图5。

利用插值来估算水泵功率，取齿轮传递效率为95%，利用公式：T=9549P/n 来计算所需扭矩，其中，T ：扭矩，Nm ；P ：功率，kW ；n ：转速，r/min 。

配气机构动力学性能分析与优化设计在机械工程领域，配气机构是内燃机中至关重要的组成部分。

它决定了内燃机的性能和效率。

因此，对配气机构的动力学性能进行分析和优化设计是非常重要的。

本文将探讨配气机构的动力学性能分析与优化设计的相关内容。

一、配气机构的基本原理和构成配气机构是指控制气缸进、排气门开启和关闭的机构。

它由凸轮轴、凸轮、从动件等组成。

在发动机工作过程中，凸轮轴转动带动凸轮，凸轮与从动件之间的接触和分离来控制气缸的进、排气门的开关。

配气机构的设计和调整直接影响了发动机的性能。

二、配气机构的动力学性能分析1. 运动学分析运动学分析主要研究配气机构各零件的运动规律。

通过分析凸轮轴的转动、凸轮的摆动以及从动件的运动，可以得到气缸的进、排气门的开启和关闭时间、行程以及过程的加速度等关键参数。

运动学分析为动力学分析提供了基础数据。

2. 动力学分析动力学分析研究的是配气机构各零件在运动过程中所受到的力和力矩的大小和方向。

动力学分析包括配气机构的加速、惯性力、冲击力等。

通过分析配气机构的动力学性能，可以评估其工作状态和负载情况，从而为优化设计提供依据。

三、配气机构的优化设计1. 减小惯性力减小惯性力可以降低机械的负荷和损耗，提高机械的运行效率。

通过优化凸轮的轮廓和材料选择，可以减小凸轮的质量和惯性力。

2. 提高精度配气机构的精度直接关系到发动机工作的稳定性和可靠性。

通过优化配气机构的加工工艺和装配工艺，可以提高其加工精度和动作精度。

另外，合理选择材料和热处理工艺也可以提高配气机构的抗疲劳性能和使用寿命。

3. 降低噪音和振动优化设计可以减小配气机构的噪音和振动。

采用减震装置、降低配气机构的质量和惯性矩等措施可以有效地降低噪音和振动。

4. 环境友好优化设计还应考虑环境保护因素。

选择环保材料和采用低能耗加工工艺是提高配气机构环境友好性的有效手段。

结论配气机构的动力学性能分析与优化设计可以提高内燃机的工作效率和可靠性，降低噪音和振动，保护环境。

汽车内燃机配气机构的优化设计摘要配气机构作为内燃机的重要组成部分，其设计合理与否直接关系到内燃机的动力性能、经济性能、排放性能及工作的可靠性、耐久性。

随着内燃机高功率、高速化，人们对其性能指标的要求越来越高，要求其在高速运行的条件下仍然能够平稳、可靠地工作，因而对其配气机构提出了更高的要求。

配气凸轮型线是配气机构的核心部分，配气凸轮型线设计是配气机构优化设计的重要途径之一。

模拟计算和实验研究是内燃机配气机构研究两种重要手段。

关键词：内燃机；配气机构；凸轮型线；优化设计ABSTRACTThe valve train is one of the most important mechanisms in a internal combustion engine, whether the performances are good or bad, that affecting the power performance, economic performance, emissions performance of the engine, as well as affecting the reliability and wear performances of the whole engine. Along with the requests of the engine’s high power, super-speed, people demand a higher index. That is, when the engine runs under a high speed, it can still work steadily and dependably, which demand that the valve train system should have a high performance. Cam profile is the hard core of the valve train, which design is one of the important ways to carry out valve train optimal design. Simulation calculation and experimentation research are two important ways to carry out research and development on valve train of internal-combustion engine.Key words:Internal combustion engine; Valve train; Cam profile; Optimal design目录摘要 (1)ABSTRACT (2)1 课题背景 (5)1.1 配气机构的研究历程 (5)1.2 配气机构优化设计的目的及意义 (5)2 配气机构简介 (7)2.1配气机构概述 (7)2.2配气机构采用的新技术 (8)2.2.1顶置凸轮轴技术 (8)2.2.2 多气门技术 (9)2.2.3 可变气门正时配气机构(VV A) (9)3 总布置设计 (11)3.1 气门的布置形式 (11)3.1.1 气门顶置式配气机构 (11)3.2 凸轮轴的布置形式 (11)3.3 凸轮轴的传动方式 (11)3.4 每缸气门数及其排列方式 (11)3.5 气门间隙 (12)4 配气定时工作原理 (13)5 配气机构的零件和组件 (14)5.1 气门组 (14)5.1.1 气门 (14)5.1.2 气门座圈 (18)5.1.3 气门导管 (18)5.1.4 弹簧设计计算 (18)5.2 气门传动组 (23)5.2.1 凸轮轴 (23)5.2.2 凸轮型线设计 (24)5.2.3 缓冲段设计 (25)5.2.4 排气凸轮型线的优化设计 (26)5.2.5 凸轮轴进排气凸轮角度设计 (26)5.2.6 基本段设计 (27)5.2.7 曲轴正时带轮与凸轮轴正时带轮 (28)5.2.8 挺柱 (28)5.2.9 推杆 (28)5.2.10 摇臂 (28)设计总结 (30)参考文献 (31)谢辞 (32)1 课题背景1.1 配气机构的研究历程作为发动机的重要组成部件，配气机构的研究内容从最初单纯的凸轮经验设计，发展到常将配气机构传动链当作完全刚性物体只进行运动学计算，再发展到了整个配气机构的运动学与动力学的综合研究。